Sintetička DNA možda zvuči kao nešto iz znanstvene fantastike, ali brzo postaje stvarnost. Istraživači su stvorili stanicu kvasca s genomom koji je više od 50 posto sintetički, uključujući prvi potpuno sintetički kromosom na svijetu.
Znanstvenici su prethodno proizveli sintetičke bakterijske i virusne genome, ali sljedeći korak bio je eukariotski – stanica u kojoj se genom u potpunosti nalazi unutar membrane omeđenog jezgra. Kvasac je bio prirodan izbor za to, jer kvasac pekara (Saccharomyces cerevisiae) ima kompaktan genom od samo 16 kromosoma i ima urođenu sposobnost spajanja DNA.
Međutim, istraživači koji su sudjelovali u Projektu sintetičkog genoma kvasca (Sc2.0) željeli su učiniti nešto malo drugačije od samo sintetiziranja DNA, dajući kvascu “dizajnerski” genom. “Odlučili smo da je važno proizvesti nešto što je jako izmijenjeno od prirodnog dizajna”, rekao je stariji autor i vođa Sc2.0 Jef Boeke u izjavi. “Naš opći cilj bio je izgraditi kvasac koji nas može naučiti novoj biologiji.”
Izrada sintetičkog genoma
Tim je prvo uklonio takozvanu “smeće” DNA iz genoma i zamijenio je novim dijelovima DNA kako bi mogli razlikovati između sintetičkih i izvornih gena, nakon čega je poređana redoslijed gena. Još jedno ključno uklanjanje bilo je – geni tRNA.
Iako proteini koje kodiraju igraju ključnu ulogu unutar stanica, geni tRNA također čine genom kvasca nestabilnim. U revolucionarnom koraku, istraživači su ih uklonili i premjestili u potpuno novi, potpuno tRNA gene temeljen “neokromosom”. “Neokromosom tRNA je prvi potpuno de novo sintetički kromosom na svijetu”, rekao je koautor Patrick Yizhi Cai. “Ništa slično ne postoji u prirodi.”
Uz neokromosom, istraživači su neovisno sastavili svaki od kromosoma, prije nego što su stvorili 16 djelomično sintetičkih sojeva kvasca, od kojih svaki ima 15 prirodnih kromosoma i jedan sintetički.
Spajanje dijelova
Tada je došao težak dio – dobiti sve sintetičke kromosome u jednu stanicu kvasca. To je uključivalo kombinaciju klasične genetičke tehnike – međusobnog razmnožavanja – i nekih potpuno novih metoda. Međusobno razmnožavanje bilo je sporo i iako je rezultirajući kvasac imao genom koji je više od 30 posto sintetički, istraživači su težili više.
Nakon korištenja nove metode nazvane zamjena kromosoma i tehnike slične CRISPR/Cas9 za popravljanje genetičkih defekata, postigli su jednu stanicu kvasca s više od 50 posto sintetičke DNA. Izmjene u genomu mogle su učiniti da kvasac raste ili izgleda abnormalno, ali zahvaljujući pažljivom obrtništvu, preživio je i čak se razmnožavao slično divljem kvascu.
“Tim je sada prepravio operativni sustav pupajućeg kvasca, što otvara novu eru inženjeringa biologije – prelazak s popravkom šačice gena na de novo dizajn i izgradnju cijelih genoma”, rekao je Cai.
Sljedeći koraci
Kvasac je odavno osnovni sastojak u proizvodnji hrane i pića – razlog zbog kojeg imamo kvalitetan kruh i pivo, svi recite “Hvala, kvasac” – i unutar znanosti, za kemijsku proizvodnju i kao model organizam. Sintetička DNA mogla bi nam omogućiti nekoliko koraka naprijed u ovim područjima, kako je objasnio Ben Blount, jedan od vodećih znanstvenika u izjavi.
“Sintetički kromosomi su sami po sebi ogromna tehnička postignuća, ali će također otvoriti ogroman raspon novih sposobnosti za način na koji proučavamo i primjenjujemo biologiju. To bi moglo varirati od stvaranja novih mikrobnih sojeva za zeleniju bioprodukciju, pa sve do pomoći nam da razumijemo i borimo se protiv bolesti.
Sljedeći korak bit će dobiti svih 16 sintetičkih kromosoma u jednu stanicu kvasca. To nije mala stvar, ali istraživači su puni nade. “Sada smo samo ovo daleko od cilja da imamo svih 16 kromosoma u jednoj stanici”, rekao je Boeke.
“Volim to nazvati krajem početka, a ne početkom kraja, jer tada ćemo stvarno moći početi miješati tu palubu i proizvoditi kvasac koji može raditi stvari koje nikada prije nismo vidjeli.”
Studija je objavljena u časopisu Cell.
